Particle Identification by d𝘌/d𝘹 with the ILD TPC – Prototype Development and Application at the ILC

Abstract

In this thesis the development of a time projection chamber (TPC) for the International Large Detector (ILD) concept at the International Linear Collider (ILC) is discussed and an analysis is carried out to evaluate the performance of the detector concept. The ILC is a planned linear electron-positron collider. Its first construction stage with a centre-of-mass energy of 250 GeV is primarily intended to perform precision measurements of the Higgs boson that was discovered at the LHC in 2012. In addition, the unprecedented precision that is aimed for also allows to search for indirect signs of new physics that manifest as deviations from the predictions of the standard model. The ILD is one of the detector concepts proposed for the ILC. Its distinctive feature is the large TPC foreseen as its main tracking detector. A TPC provides a large number of measured space points on each track, resulting in an excellent momentum resolution even for low momentum particles. Additionally it allows to measure the specific energy loss (d𝐸/d𝑥) of the particles and thus perform particle identification. In the first part of this thesis the development of a modular readout for the ILD TPC is presented. Each module provides avalanche gas amplification of the electron signal via a stack of three gas electron multiplier (GEM) foils, supported by thin ceramic grids. The signal is read out on the anode plane, which is segmented into pads. For this work the production procedure for the modules was reviewed and improved to achieve a higher accuracy and repeatability. Three newly assembled modules were tested in a prototype TPC at the DESY II Test Beam Facility. The acquired data is used to validate the results regarding the spatial resolution acquired in a previous study. Additionally the d𝐸/d𝑥 resolution of the setup is determined for the first time. An extrapolation of the result to the conditions of the ILD TPC shows that the envisioned relative resolution of 5 % can be achieved. In the second part of this thesis a measurement of the branching fractions of the Z boson into the light quarks d, u and s is presented. In the standard model the coupling of the Z to the quarks is independent of the flavour. Any deviation from this pattern is a hint of new physics. Due to the difficulty in identifying the flavour of the primary quark in jets originating from light quarks, the respective individual branching fractions are only known with uncertainties of 5 % to 10 %. The analysis presented here uses data from a detailed simulation of the ILD, scaled to the full data set of 𝐿int = 2 ab⁻¹ of the ILC at √𝑠 = 250 GeV. To tag the flavour of light quark jets, the high momentum leading hadrons in each jet are used since their flavour content is correlated to the flavour of the primary quark. One challenge of this approach is to identify the species of the tagging hadrons in the detector. The d𝐸/d𝑥 measurement in the TPC is an essential tool for this purpose. The analysis shows that a relative statistical precision of the branching fraction into light down-type quarks of about 1 % can be achieved.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einer Zeitprojektionskammer (TPC) für den International Large Detector (ILD) am International Linear Collider (ILC). Zudem wird die Leistung des Detektorkonzepts im Rahmen einer Physikanalyse betrachtet. Der ILC ist ein geplanter Linearbeschleuniger zur Kollision von Elektronen mit Positronen. Die erste Ausbaustufe sieht eine Schwerpunktsenergie von 250 GeV vor, um Präzisionsmessungen der Eigenschaften des Higgsbosons durchzuführen, das 2012 am LHC entdeckt wurde. Die angestrebte Genauigkeit erlaubt es außerdem indirekte Anzeichen von unbekannter Physik zu finden, die als Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells erkennbar sind. Der ILD ist eines der Detektorkonzepte, die für den ILC vorgeschlagen werden. Die Besonderheit des ILD is die TPC, die als zentraler Spurdetektor vorgesehen ist. Durch die hohe Anzahl an Messpunkten entlang jeder Spur erreicht eine TPC eine hervorragende Impulsauflösung selbst für Teilchen mit sehr geringem Impuls. Des Weiteren erlaubt die hohe Messdichte eine Bestimmung des Energieverlusts der Teilchen und so eine Ermittlung der Teilchenart. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer modularen Auslese für die ILD TPC. Jedes Modul beinhaltet eine Gasverstärkungsstufe bestehend aus drei Gas Electron Multipliers (GEMs), die von schmalen Keramikrahmen gehalten werden. Das elektrische Signal wird auf der segementierten Anode ausgelesen. Im Zuge dieser Arbeit wurde der Fertigungsprozess für die Module überarbeitet, um eine höhere Wiederholgenauigkeit zu erreichen. Drei neu gebaute Module wurden in einem TPC-Prototypen an der DESY II Teststrahl Einrichtung erprobt. Die erhaltenen Daten werden ausgewertet, um die Ergebnisse einer früheren Studie bezüglich der Ortsauflösung zu überprüfen. Zudem wird zum ersten Mal die Messauflösung des Energieverlusts für dieses System bestimmt. Eine Extrapolation des Ergebnisses zu den Bedingungen der ILD TPC zeigt, dass die angestrebte relative Auflösung von 5 % erreicht werden kann. Der zweite Teil der Arbeit behandelt eine Messung der Verzweigungsverhältnisse des Z-Bosons in die leichten Quarks d, u und s. Im Standardmodell ist die Kopplungsstärke des Z zu den Quarks unabhängig von deren Flavour-Quantenzahl. Jede Abweichung von diesem Schema ist ein Hinweis auf neue Physik. Da es für Jets, die von leichten Quarks erzeugt werden, schwierig ist die Art des ursprünglichen Quarks zu bestimmen, sind die jeweiligen Verzweigungsverhältnisse nur bis auf Unsicherheiten von 5 % bis 10 % bekannt. Die hier vorgestellte Analyse beruht auf simulierten Daten, die mit einem detailierten Modell des ILD erzeugt wurden und auf die Größe von 𝐿int = 2 ab⁻¹ des vollständigen Datensatzes des ILC bei √𝑠 = 250 GeV skaliert wurden. Um die Art des Primärquarks zu ermitteln, werden die Teilchen mit der höchsten Energie in jedem Jet betrachtet, da der Quarkinhalt der entsprechenden Hadronen mit dem Flavour des Primärquarks korreliert ist. Eine Herausforderung dieser Methode is die Identifikation dieser Hadronen. Hierfür ist die Messung des Energieverlusts in der TPC unverzichtbar. Im Ergebnis zeigt die Analyse, dass für die Messung des Verzweigungsverhältnisses in leichte d- und s-Quarks ein relativer stochastischer Fehler von ungefähr 1 % erreicht werden kann.